Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) двигателя: устройство, назначение и состав

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) представляет собой один из ключевых компонентов двигателя внутреннего сгорания. Его работа зависит от точного взаимодействия множества деталей. В этом разделе мы подробно рассмотрим устройство КШМ, наиболее распространенные неисправности и правила его обслуживания.

КШМ — это

Кривошипно-шатунный механизм трансформирует поступательное движение поршней в вращение коленчатого вала и наоборот.

Кроме того, в двигателя предусмотрен газораспределительный механизм, который преобразует движение распределительного вала в горизонтальную перемещение клапанов.

Устройство кривошипно-шатунного механизма

КШМ состоит из подвижных и неподвижных компонентов.

К подвижным деталям относятся:

• поршень с кольцами и пальцем
• шатун
• коленвал с подшипниками (кривошип)
• маховик.

Неподвижные детали выполняют функцию поддержки и управления:

• блок цилиндров (БЦ) с картером
• головка блока цилиндров (ГБЦ)
• картер маховика и сцепления
• поддоны
• гильзы
• крышки и прокладки
• различные фиксирующие элементы
• кронштейны
• полукольца коленвала.

Принципы работы кривошипно-шатунного механизма дизелей по своей сути аналогичны бензиновым двигателям.

В следующих разделах мы детально рассмотрим функции и принципы работы каждого элемента кривошипно-шатунного механизма.

Типы КШМ

Существуют разные виды кривошипно-шатунных механизмов:

• центральный или асимметричный
• асимметричный
• с прицепным шатуном.

В центральном КШМ ось цилиндра проходит через ось коленвала, в то время как в асимметричном они не пересекаются, а смещены на расстояние a. Это различие наглядно показано на схемах. Если в КШМ присутствует шатун, который не закреплён непосредственно к шейке коленчатого вала, а соединен с соседним шатуном через палец, такой механизм обозначают как механизм с прицепным шатуном.

КШМ: подвижные детали

Теперь давайте подробнее рассмотрим функции, местоположение и способы фиксации подвижных элементов КШМ.

Поршни

Поршни приводятся в движение вследствие сгорания топлива, которое создаёт давление на их дно. Современные технологии позволяют производить поршни с как вогнутыми, так и выпуклыми дном, а также с особыми клапанными выемками. В дизельных двигателях изогнутая форма поршня формирует камеру сгорания для смешивания воздуха и топлива.

Вокруг поршня находится юбка, которая направляет его движение в цилиндре. Боковые стенки поршня имеют пазы для установки компрессионных колец, их было 2-3. Они служат для герметизации пространства между стенками камеры объемного вытеснения и самим поршнем, предотвращая проникновение сгоревших газов в картер к кривошипно-шатунному механизму. Нижнее кольцо – маслосъемное, оно предназначено для удаления лишнего масла со стенок цилиндра и не допускает просачивания масла в камеру сгорания.

Кольца

Еще одной важной мобильной деталью кривошипно-шатунного механизма являются поршневые кольца, которые обеспечивают герметичность между камерой объемного вытеснения ДВС и стенками поршня. Они способствуют охлаждению поршня, отводя избыточную температуру и удаляя лишнее масло из внутренней полости цилиндра.

Кольца классифицируются по назначению:

• Компрессионные – выпускаются из высокопрочных чугунных сплавов. Обычно на поршне устанавливается три таких кольца, которые имеют трапециевидное сечение. При этом скошенная часть располагается в сторону днища. Верхнее кольцо обрабатывается пористым хлором, а нижние слои покрываются оловом для лучшей притирки с цилиндрической гильзой.
• Маслосъемные – имеют прямоугольное сечение и оснащены внутренними масляными каналами, по которым проходит масло, снимаемое с боковых стенок гильзы.

Поршневой палец

Палец кривошипа расположен в поршневом гнезде и верхней части шатуна, соединяя эти детали.

В зависимости от конструкции мотора, палец может быть фиксированным или плавающим. В первом варианте используются стопорные колечки, во втором – палец устанавливается с натяжением.

1- стопорное колечко, 2 — палец, 3 — поршень, 4 — шатун

Для уменьшения шума поршневой группы на холодном двигателе допускается смещение пальцев до 2 миллиметров по оси. Это смещение происходит в месте установки пальца кривошипа (в направлении максимальной боковой силы) относительно подвижных деталей в цилиндре.

Чтобы снизить трение и улучшить смазку контактирующих поверхностей, в фиксирующем гнезде пальца (верхняя часть шатуна) устанавливается бронзовая втулка. Это упрощает сборку КШМ, делая её разборной.

Все компоненты механизма изготавливаются с высокой точностью и фиксируются с помощью болтов и контргайков. Подшипники скольжения, выполненные из стали (вкладыши с замками), минимизируют трение. Смазка подаётся на внутреннюю сторону через специальные каналы, в то время как внешние поверхности остаются без смазки, предотвращая проворачивание вкладыша за счёт трения.

Шатуны

Элементы шатуна обеспечивают соединение между коленвалом и поршнем.

Шатун представляет собой конструкцию из прочного металла с технологическими вырезами для крепления как к поршню, так и к шейке коленвала. Поршень соединяется с пальцем кривошипа, что обеспечивает его движение в одной плоскости с цилиндром. Крепление шатуна к шейке коленвала также гарантирует, что перемычка движется в одной плоскости с поршневой группой.

Коленвал

Кривошипно-шатунный механизм преобразует линейное движение в вращательный момент через коленвал.

Это полностью опорная деталь, специально изготовленная методом штамповки. В центре располагаются опорные шейки, носок вала и фланец для крепления маховика. Шейки для установки шатунов расположены вне оси и вращаются по окружности.

Схема коленчатого вала 4-цилиндрового двигателя включает в себя:

• 4 шейки шатунов, которые дополнительно очищают смазочное масло под действием центробежной силы;
• 5 коренных шеек;
• шестерни для привода распределительного вала;
• противовесы;
• полукольца для ограничения осевого перемещения;
• резиновые сальники, работающие по принципу самоусиления.

Маховик

Маховик представляет собой массивный, сбалансированный диск из чугуна с зубьями, устанавливаемый на конце коленчатого вала. Он поддерживает вращение коленвала и поршней, предотвращая их «зависание» в верхней мертвой точке (ВМТ). Участие маховика требует расхода части мощности двигателя.

Корпус маховика изготавливается из серого чугуна и размещается в задней части двигателя, закрывая область картера. Для обслуживания зубьев венца предусмотрен специальный смотровой лючок внизу.

С помощью зубьев венца маховика стартер вращает коленвал, что запускает движение поршней, подачу топливной смеси и, как следствие, запуск двигателя.

Конструкция двухмассового маховика

КШМ: неподвижные детали

Неподвижные компоненты КШМ необходимы для размещения, компоновки, герметизации и управления подвижными элементами.

Давайте подробнее изучим предназначение каждой неподвижной детали.

Блок

Блок двигателя — это основная структура. Кривошипно-шатунный механизм находится в специализированных отверстиях (камерах объемного вытеснения) блока, где находятся поршни и происходит воспламенение топлива.

Блок представляет собой металлический корпус с цилиндрическими проемами, охлаждающими каналами и технологическими отверстиями для коленчатого вала. Он может быть выполнен из алюминиевого или чугунного сплава, с ребрами жесткости для уменьшения веса агрегата.

Гильзы

В кривошипно-шатунном механизме используются гильзы, создающие пространство для рабочего цикла. Эти гильзы позволяют поршням двигаться в заданном направлении.

Гильзы производятся из определенных типов чугуна, обладающего высокой прочностью и перлитной структурой. Внутренняя поверхность обработана до состояния зеркала, что достигается через:

• глубокую закалку с использованием высокочастотного тока;
• точную шлифовку, в ходе которой достигается шероховатость 0.2-0.5 мкм (методом хонингования; структура покрытия рабочей области гильз также является хон).

Снаружи гильзы оснащены двумя поясами для надежной фиксации в расточках блока цилиндров. Нижний пояс имеет прямоугольные канавки. Внутри помещаются уплотнительные колечки, изготовленные из эластомеров, которые предотвращают утечку охлаждающей жидкости из рубашки в картер двигателя.

Головка блока

Гильза соединяется с верхней частью блока цилиндров, формируя пространство для камеры сгорания. Для заполнения этих камер на головке блока устанавливаются клапаны, которые регулируют поступление и выброс газов. В самой головке расположены механизмы, отвечающие за работу этих клапанов.

Прокладка

Для защиты кривошипно-шатунного механизма от воздействия внешней среды используется прокладка, размещаемая между головкой блока цилиндров и блоком. Она предотвращает возможность разгерметизации этого соединения. Прокладка выполнена из асбостали и имеет толщину 1.4 мм.

Уплотнительные кромки прокладки под цилиндры укрепляются стальным листом, а под каналами охлаждения – медными элементами. Установить прокладку можно только в одном положении, на шпильки.

Картер

Картер является ключевым компонентом конструкции кривошипно-шатунного механизма. Он располагается в основании блока цилиндров и включает в себя коленвал. Изготовлен картер из прочных сплавов чугуна и алюминия с высокой жесткостью, что позволяет ему выдерживать большие температуры и нагрузки.

Картер имеет перегородки, разделяющие его на секции, где располагаются цилиндры. Внутри картера находятся:

• опоры для коленвала;
• цилиндры;
• некоторые устройства газораспределительного механизма;
• маслонасос;
• балансировочные валы;
• компоненты системы смазки и каналы для охлаждения;
• дополнительные механизмы.

В верхней части картера расположены отверстия для цилиндров, которые находятся под прямым углом и имеют привалочную поверхность.

Принцип работы КШМ

Работа двигателя внутреннего сгорания основана на преобразовании энергии, получаемой в результате сгорания топливной смеси. Кривошипно-шатунный механизм трансформирует контролируемые взрывы в механическую работу.

Принципы работы КШМ заключаются в следующем:

1. В камеры сгорания подается смесь топлива и воздуха, которая воспламеняется от искры свечи. Этот процесс происходит за доли секунды и сопровождается расширением воздуха.
2. Воспламенение происходит в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке. После взрыва поршень стремительно перемещается вниз.
3. Поршень соединен с коленвалом через шатун, который движется в одной плоскости. Связь шатуна с поршнем и шейкой коленвала обеспечена подвижно. Под действием поршня шатун передает вращающий момент на коленвал, приводя его в движение.
4. Возврат поршня в верхнюю мертвую точку происходит благодаря возвратно-поступательному движению, при этом коленвал тянется за поршнем. Сила, перемещающая поршень из нижней мертвой точки в верхнюю, поддерживается запасом энергии маховика.

Для запуска работы КШМ предусмотрен стартер, который раскручивает маховик через зубчатый механизм до момента запуска двигателя.

Частые неисправности

Кривошипно-шатунный механизм подвергается сложным эксплуатационным условиям. Высокие температуры, значительные нагрузки и несоблюдение регламента технического обслуживания нередко приводят к поломкам КШМ. Рассмотрим основные неисправности.

Стук

Появление звуковых аномалий (стук, треск) со стороны работающего двигателя свидетельствует о наличии проблем. Все компоненты двигателя точно подогнаны и работают как единое целое. Изнашивание любого элемента вызывает шумы и стук в двигателе.

Основная причина преждевременной износостойкости КШМ – нерегулярное или неправильное техническое обслуживание мотора.

Замена масла и фильтров должна производиться в установленные сроки или даже чаще, в зависимости от условий эксплуатации (например, в больших городах условия сложные). Превышение интервалов замены приводит к значительному ухудшению свойств масла и эффективности фильтров. Частицы грязи, попадающие в двигатель, постепенно разрушают узлы кривошипно-шатунного механизма, формируя задиры. Недостаток масла часто приводит к поломке подшипников, которые работают под повышенными нагрузками.

ГРМ загрязнен, коленвал также

Кроме того, важно правильно выбирать масло, ориентируясь на рекомендации производителя. Учитывайте допуски и вязкость.

Одной из частых причин стука может быть ошибочный тепловой зазор клапанов или неполадки в гидрокомпенсаторах, что свидетельствует о неисправности клапанного механизма (часть ГРМ).

Снижение мощности двигателя

Повреждение КШМ проявляется в снижении мощности двигателя и замедлении работы автомобиля.

Часто причиной становится неправильная работа поршневых колец, что вызывает утечку масла в камеру сгорания. Энергия КШМ в этом случае расходуется неэффективно.

Грязный двигатель и залипшие кольца

Не стоит игнорировать первые признаки неисправности, иначе проблема будет только усугубляться. В конечном итоге может потребоваться капитальный ремонт двигателя. Неисправности можно выявить путем измерения компрессии в камерах сгорания. Если показатели отклоняются от нормы, требуется проверка двигателя.

Нагар

Наличие нагара на деталях указывает на неполное сгорание топлива. Нагар скапливается на поршнях, цилиндрах, свечах и клапанах. Проблему необходимо исправить как можно скорее, иначе это может привести к перегреву двигателя из-за уменьшения теплопроводности.

Другой причиной образования нагара может быть сгорание масла.

Высокий расход масла

Высокий расход масла указывает на возможные неисправности в поршневой группе. Часто наблюдается залипание колец, что влияет на эффективность работы КШМ и двигателя в целом. Смесь топлива в таких случаях сгорает вместе с маслом, создавая черный дым в выхлопной системе, а температура в камере сгорания превышает допустимые нормы. В редких случаях проблему удается решить с помощью специальных очистительных добавок для топлива, но чаще всего требуется проверка кривошипно-шатунного механизма.

Также причиной повышенного расхода масла может быть неисправность клапанов. Упругость маслосъемных колпачков клапанов тоже часто является фактором, способствующим повышенному расходу масла.

Белый выхлоп

При попадании антифриза в камеру сгорания появляется плотный белый дым из выхлопной трубы. Жидкость может просачиваться в результате изношенности прокладки ГБЦ или охлаждающей рубашки. Для устранения проблемы необходимо заменить поврежденный элемент.

Игнорирование неисправности может привести к гидравлическому удару. В камере сгорания может скопиться антифриз, который при движении поршня не сжимается, в отличие от воздуха. Это приведет к жесткому удару поршня о детали ДВС. Повреждение может быть различным, до заклинивания двигателя.

Поршень может разрушить стенки блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм может быть повреждён при высоких оборотах. Шатун может пробить корпус двигателя. Исправить такую поломку не всегда удаётся, даже при капитальном ремонте, часто требуется полная замена двигателя.

Вместо масла — эмульсия, образующаяся при смешивании масла и антифриза. В расширительном бачке охлаждающей жидкости видно масло.

Даже если гидравлический удар не будет, незапланированное присутствие антифриза в масле недопустимо. Эмульсия ухудшает смазку деталей КШМ, значительно сокращая их срок службы.

Уход

Кривошипно-шатунный механизм не подлежит обслуживанию в течение всего срока эксплуатации. Периодически следует проверять состояние соединительных элементов – гайки и шпильки крепления головки блока цилиндров, а также фиксирующие болты картера. Также проверяется рекомендованный момент затяжки. Эти операции выполняются на холодном двигателе (15-20 °C), иначе уплотнение прокладок не будет достаточным.

При пробеге в сто тысяч километров рекомендуется снять головку блока цилиндров для чистки поверхностей камер сгорания, днищ поршней и клапанов от нагара. Дополнительно производится притирка рабочих фасок клапанов к седлам.

Для того чтобы обеспечить долговечность и эксплуатационные характеристики кривошипно-шатунного механизма, рекомендуется соблюдать следующие правила:

• использовать высококачественное топливо и смазочные материалы
• проводить замену масла чаще, чем указано в инструкции
• предотвращать перегрев двигателя
• избегать перегрузки мотора, особенно в условиях отсутствия предварительного прогрева
• поддерживать чистоту внешних частей силового агрегата.

Как часто необходимо производить замену масла в двигателе

Если информация оказалась полезной, пожалуйста, оставьте комментарий. Если же материал не оправдал ожиданий или содержал неточности, также дайте знать.

Вопросы по теме

Каковы основные преимущества использования кривошипно-шатунного механизма в современных двигателях?

Основные преимущества кривошипно-шатунного механизма (КШМ) заключаются в его высокой механической эффективности и возможности преобразования линейного движения поршней в вращательное движение коленчатого вала. Это позволяет обеспечить плавность работы двигателя и эффективный передачу энергии. Кроме того, КШМ обладает хорошей прочностью и надежностью, что делает его подходящим для использования в различных типах двигателей, включая бензиновые и дизельные. Также, благодаря своей конструкции, КШМ позволяет минимизировать вибрации и шум, что значительно улучшает комфортность эксплуатации.

Какие материалы используются для изготовления элементов кривошипно-шатунного механизма, и как они влияют на его работу?

Элементы КШМ, такие как коленчатый вал, шатун и поршень, изготавливаются из различных материалов в зависимости от их функциональных требований. Обычно используются высокопрочные легированные стали, алюминиевые сплавы и композитные материалы. Например, коленчатый вал часто производится из закаленной стали для повышения прочности и устойчивости к деформациям. Алюминиевые сплавы применяются для поршней, поскольку они легкие и обладают хорошими теплоотводящими свойствами, что способствует снижению температуры в камере сгорания. Использование разных материалов позволяет достичь оптимального сочетания прочности, легкости и термоотводимости, что критически важно для долговечности и производительности двигателя.

Как развитие технологий повлияло на эволюцию кривошипно-шатунного механизма в автомобилестроении?

Развитие технологий оказало значительное влияние на кривошипно-шатунный механизм. Современные методы численного моделирования и компьютерного анализа позволяют конструкторов оптимизировать формы и размеры всех элементов КШМ для повышения их прочности и снижения веса. Также внедрение новых материалов, таких как углеродные волокна и легкие сплавы, способствует улучшению динамических характеристик механизмов. Параллельно, интеграция технологий автоматизации и сенсоров позволяет существенно повысить надежность и эффективность работы КШМ, а системы управления двигателем становятся более точными и адаптивными, что, в свою очередь, влияет на общие показатели топливной экономичности и экологичности автомобилей.